English summary: see below

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Zusammenfasssung:

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An zwei Standorten in der Extremwüste SW-Ägyptens (East Oweinat) wurden zwischen März 1985 und Mai 1986 künstliche Ökosysteme angelegt, um Bodengenese und Bewässerungseignung zu untersuchen. Das Untersuchungsgebiet liegt im Zentrum des aridesten Klimaraums der Erde und ist - bis auf eine Versuchsfarm (GPC-Camp) - unbesiedelt. Das Klima wurde charakterisiert und mit den nächstgelegenen Klimastationen verglichen. Nach ein- bzw. mehrmaliger Beregnung der Versuchsparzellen wurde der Wassergehalt, die elektrische Leitfähigkeit, das Pflanzenwachstum und weitere Parameter untersucht. Um das osmotische Potential, den Salzhaushalt und Komponenten des Wasserhaushalts bestimmen zu können, wurden Methoden entwickelt, die als Eingangsdaten nur wenige, einfach zu messende Parameter benötigen.

Die Versuche wurden auf einem Calcic Yermosol und auf einem Eutric Regosol durchgeführt. Die Böden unterscheiden sich durch ihr Ausgangsmaterial: Beim Eutric Regosol verfestigter Flugsand hoher Dichte (1.8 kg/dm3) , beim Calcic Yermosol Zersatz von mesozoischem Sandstein mit etwas höhe- rem Tongehalt (4-6%) und einer ab 60 cm zunehmenden CaCO3-Anreicherung. Beide Böden sind extrem sandig und weisen daher eine sehr niedrige nutzbare Feldkapazität und hohe Wasserleitfähigkeit auf. Die Salzgehalte sind bei Versuchs- beginn zwischen 2 cm und ca.30 cm Tiefe sehr gering mit einem folgenden Maximum ab 40-70 cm Tiefe. Die Maxima der löslichen Ionen sind (von oben nach unten) K+, Na+, Ca2++,Mg2+ and HC03-, S042-, Cl-, N03- .Unmittelbar an der Bodenoberfläche sind die Salzgehalte etwas erhöht. Es dominieren dieselben Salze wie unterhalb von ca.30 cm Tiefe.

Das Klima in East Oweinat läßt sich in fünf Winter- und sieben Sommermonate unterteilen. Die Monatsmittel sind von Jahr zu Jahr deutlich verschieden. Zu Kufra und Dakhla ist eine systematische Differenz in der Temperatur und der relativen Feuchte nicht zu erkennen. Das Klima in unmittelbarer Bodennähe erweist sich in eigenen Experimenten als trockener und wärmer (am Tage) .Hinter Windschutz vermindert sich die Windgeschwindigkeit um bis zu 75% und führt zu einer Sandablagerung von 4 t bis 15 t pro m Windschutz. In Mikrolysimeterversuchen konnte gezeigt werden, dass die anfängliche Evaporation von feuchtem Boden von den Klimabedingungen und dem Bodenwassergehalt abhängig ist. Erstmalig wurde der Staubniederschlag in einem Transsekt von East Oweinat zur Küste gemessen. Natrium und Chlorid zeigen höhere Depositionsraten nahe der Küste, Nitrat steigt zur Saharamitte deutlich an. Aus dem Energiehaushalt des Bodens lassen sich Rückschlüsse auf die Evaporation und Einstrahlung ziehen. Der Verlauf der Bodentemperatur ermöglicht Aussagen zur thermischen Diffusivität in Abhängigkeit vom Bodenwassergehalt.

Nach Regensimulationsversuchen wird der Verlauf von Wasser- und Salzgehalt, osmotischem- und Matrixpotential untersucht. Tensiometer und Gipselektroden liefern nur bedingt brauchbare Ergebnisse. Verfügbares Wasser (> 2 Vol.%) ist in 10-40 cm Tiefe bis zu 30 Tagen nach simulierten Regenfällen (50 mm) anzutreffen. Die Evaporation ist in den Sommermonaten zunächst höher, jedoch sind auch im Winter nach 50 Tagen 30-40 mm verdunstet. Die langfristige Evaporation ist in den Versuchen beim Calcic Yermosol geringer als beim Eutric Regosol, jedoch bedarf es zur Absicherung des Unterschieds weiterer Versuche. Der Eindringwiderstand nimmt in den ersten fünf Wochen nach Bewässerung ab. Die hohen Eindringwiderstände können die Keimung und Wurzelbildung von Kulturpflanzen behindern. Die Ionen der löslichen Salze wurden durch die simulierten Regen in die Tiefe getragen, ohne ihre relative Abfolge zu verändern. Die Veränderung der mittleren Tiefe der Ionen liegt bei 3-5 cm/cm Niederschlag. Die Salze in der Bodenlösung liegen an der Befeuchtungsfront annähernd in gesättigter Lösung vor. Aus dem Salz- und Wasserhaushalt der oberen Zentimeter ergibt sich eine erhebliche Salzausblasung von ca.5 g/m2. Die verbleibende Salzmenge in den obersten zwei Zentimetern wurde durch nur ca.3 mm Evaporation hervorgerufen.

Versuchsflächen mit regelmäßiger Bewässerung ohne Pflanzenwuchs dienten als Vergleichsflächen und konnten zur Ermittlung der Evaporation innerhalb der ersten 10 Tage herangezogen werden. Sie liegt auf dem Calcic Yermosol höher als auf dem Eutric Regosol. Die Salze im Boden wurden durch die Bewässerung bis ca.60 bzw. 120 cm Tiefe verlagert.

Auf den Versuchsflächen mit Schilf (Phragmites australis) wurde zum Ende der Versuche (April 1986) eine Evapotranspiration von 3-5 mm/d und eine Perkolation von 3,5- 3 mm/d beobachtet. Die Transpiration wurde aus den Messungen des Bodenwasser- und Bodensalzgehalts, sowie aus Messungen an Pflanzen übereinstimmend auf 2 mm/d (Eutric Regosol) bzw. 4 mm/d (Calcic Yermosol) bestimmt. Die Zeit-Tiefen- Funktion verschiedener Bodenparameter (Wasser- und Salzge- halt, Matrix- und osmotisches Potential) zeigt über mehrere Bewässerungszyklen die Abhängigkeit der Parameter untereinander und zur Pflanzenwasseraufnahme. Diese wiederum wird durch die niedrigen Wasserpotentiale im Boden (insbesondere ab 40 cm Tiefe) eingeschränkt.

Bodenuntersuchungen nach Versuchsende zeigen, dass gegenüber den Vergleichsflächen die Nitrate aus der aktiven Wurzelzone verschwunden sind und die Bodensalze als Folge der Transpiration nur bis ca. 50 bzw.80 cm Tiefe verlagert wurden. Kalium und Stickstoff sind aus dem Boden aufgenommen worden, da der Elementeintrag durch das Bewässerungswasser für die Pflanzenaufnahme nicht ausreichte.

Die Wasseraufnahme durch die Wurzeln wurde im Mittel auf 30 cm3g-1d-l (Trockensubstanz) bestimmt. In den oberen entsalzten Profilzonen liegt die Aufnahme höher. Die Wasseraufnahme bezogen auf die (in 2 Tagen) neugebildeten Wurzeln wurde modellhaft berechnet und liegt 20 fach höher. Die Salzanreicherung in Wurzelnähe konnte ebenfalls zur Bestimmung der Wasseraufnahme herangezogen werden. Signifikante Veränderungen stabiler Bodenmerkmale durch die 20 Bewässerungsintervalle konnten nicht nachgewiesen werden.

Beobachtungen auf einem Luzerne (Medicago sativa) Feld zeigen die Auswirkungen von langen Bewässerungspausen auf die Bodenparameter. Bei -0,1 MPa Wasserpotential im Boden fällt die Evapotranspiration deutlich von 13 auf 6 mm/d ab, und bei -0,3 MPa verbleibt nur hoch eine lebenserhaltende Transpiration von ca.1 mm/d. Ein neu gepflanztes Medicago sativa Feld zeigt durch die Beschränkung des Wurzelraums auf 0-30 cm Tiefe eine sehr schnelle Abnahme des Wassergehalts und Anstieg der Salzkonzentration in dieser Tiefe. Ein solcher Wasserhaushalt erlaubt keine günstige Ertragsentwicklung.

Die Experimente lassen Rückschlüsse auf die Entstehungsbedingungen der Böden zu. Hinweise auf jüngste Niederschläge mit > 20 mm finden sich bei der Auswertung von Niederschlagsberichten der Region nicht. Aus dem beobachteten Wasserhaushalt nach Niederschlägen wird eine empirische Evaporation-Zeit-Funktion für die untersuchten Böden aufgestellt. Mit Hilfe dieser Funktion ist es möglich, die Grundwasserneubildung unter feuchteren Klimabedingungen (Plulvialzeiten) abzuschätzen. Bei 240 mm Jahresniederschlag bleiben nur 55 mm/a (Eutric Regosol) bzw. 25 mm/a (Calcic Yermosol) zur Durchfeuchtung des Bodens nach der Trockenzeit übrig, sodass allenfalls beim Eutric Regosol mit einer minimalen Grundwasserspende gerechnet werden kann. Der Vergleich der Elementkonzentrationen im möglichen Niederschlag mit den vorgefundenen Elementgehalten im Boden zeigt, dass mehrere 1000 Jahre mit Niederschlagsraten von 100 mm/a notwendig wären, die Elemente einzutragen. Auf diesem Wege können die Salze nur während der Pluvialzeiten eingetragen worden sein. Die Eintragung von Salzen durch trockene Deposition ist von der Bodenoberfläche, der Geomorphologie und den Niederschlägen abhängig, die zur Einwaschung des Salzstaubs zur Verfügung stehen. Bei Depositionsbedingungen, wie sie im Deposimeter herrschten, können in wenigen 100 Jahren die beobachteten Elementgehalte eingetragen werden. Erst durch die Auswertung von Salzgehalten in Böden unterschiedlicher Oberflächenstruktur kann die Datierung der Salzeinträge gelingen.

Unterschiedliche Theorien zur Genese der Risse in den Böden der Region werden untersucht und mit beobachteten Bodeneigenschaften und der Bodendynamik nach Regensimulationsversuchen verglichen. Keine der Theorien ist (bisher) frei von Widersprüchen. Die regelmäßige Änderung der relativen Feuchte in der Bodenluft sollte zur experimentellen Klärung herangezogen werden.

Aus den Versuchen lassen sich Folgerungen für die landwirtschaftliche Nutzung East Oweinats ziehen. Der Wasserbedarf bei Kulturen hinter Windschutz beträgt im Sommer ca.16 mm/d und im Winter ca.6 mm/d. Die Feldkapazität der Böden liegt mit 6-7 Vol% extrem niedrig und entspricht etwa pF 2.2. Die reale Wasseraufnahme wurde auf Grund der Untersuchungen an Medicago sativa mit der mittleren Tagestemperatur in Beziehung gesetzt. Die Evapotranspiration von Medicago sativa unter Wasserstreß und der Versuchsfelder mit Phragmites australis waren demgegenüber deutlich niedriger. An das Bewässerungssystem sind durch den hohen Wasserverbrauch der Pflanzen und die extrem niedrige Feldkapazität hohe Anforderungen gestellt. Überstaubewässerung - obwohl gärtnerische Praxis im GPC-Camp - ist für die Bewässerung von größeren Feldern ungeeignet. Tröpfchenbewässerung und Regner mit hohen Regenintensitäten sind unter diesen Einsatzbedingungen störanfällig, jedoch bei guter Wartung und Betreuung anwendbar. Die landwirtschaftliche Nutzung der sandigen, tiefgündigen Standorte der Extremwüste ist möglich, wie die Entwicklung der Kufra-Oase (Lybien) und des GPC-Camps (SW- Ägypten) zeigen. Aus der Region werden dabei Sonne und endliche Wasservorräte als Produktionsfaktoren benutzt. Der Standortfaktor Boden ist auf dem Selima Sand Sheet ein praktisch leeres Wuchssubstrat (Hydrokultur). Der Wasserhaushalt der Sande ist bezüglich Versalzung sehr günstig. Die Wasserqualität in Location 5 (Rinderfarm in East Oweinat im Bau) ist jedoch gegenüber dem GPC-Camp wesentlich schlechter. Daher muss mit Nutzungseinschränkungen wegen der bei Sanden hohen Konzentrierung des Bodenwassers im Zuge der Pflanzenwasseraufnahme gerechnet werden. Alle anderen Produktionfaktoren (Menschen, Maschinen, Saatgut, Düngemittel, Pestizide etc.) entstammen einer anderen Region und müssen ebenso wie die landwirtschaftlichen Produkte, sehr weite Strecken transportiert werden. Standortvorteile für irgend ein landwirtschaftliches Produkt gegenüber irgendeinem Ort der Erde sind nicht erkennbar.

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Experimental ecodynamics on two soils of the extreme desert.

PhD-Thesis, Technical University of Berlin, Germany

Summary

Two types of soils of the extreme desert of SW Egypt (East Oweinat) were irrigated to solve questions of soil history and soil-suitability for irrigation projects. The area under study lies in the center of the most arid climate of the world.

The climate at the site was extensively studied and compared with the data from neighbouring stations. Following single and multiple irrigation of the experimental plots, the water content, the electrical conductivity, the development of the plants and other parameters were studied. In order to determine the osmotic potential, the salt balance and different components of the water balance, methods were developed, which depend only on a few variables easily determined.

The experiments were conducted on a Calcic Yermosol and an Eutric Regosol. Both soils have a high sand content and therefore exhibit a low field capacity. Salt contents in depth from 20 to 30 cm are initially low followed by a maximum in depth from 40 to 70 cm.

The maximum of soluble ions range from top to bottom in the following order: K+, Na+, Ca2++,Mg2+ and HC03-, S042-, Cl-, N03- respectively. Near the soil surface the salt content rises again, with the same ions as at the bottom of the profile. The soils have developed on consolidated drift-sand (Eutric Regosol) and Nubian Sandstone (Calcic Yermosol) respectively.

The climate of the meteorological station East Oweinat was evaluated and compared with the near-by meteorological stations. The initial evaporation from, mikolysimeters was studied in respect of climatic conditions and soilwater content. The dust deposition between Oweinat and the coast revealed an increase of nitrates and sand deposition and a decrease in sodium and chloride deposition.

After simulated rainfall (50 mm) on the two soils under study changes of soil water and salt content, as well as soil potentials were studied. During the first days after simulated rainfall evaporation was higher in summer than in winter; hut after 30 days total evaporation; in both cases, was 30-40 mm. The long term sum of evaporation from Calcic Yermosol seems lower than from Eutric Regosol. Ions of soluble salts were carried downward in the profile without changing the distribution pattern of the ionic species.

Barren experimental plots with regular irrigation were studied for comparison with experimental plots with reed (Phragmites australis). The evaporation from the soil surface within ten days was higher on Calcic Yermosol plots. By the end of our experiments (April 1986) the evapotranspiration was 3-5 mm/d and seepage 3.5-3 mm/d. Following the change of soil water and salt content as well as soil potentials during a period of three irrigation cycles revealed their interrelation with the water uptake by the plants.

Calculating the balance of soluble salts revealed that the plant uptake of potassium and nitrogen was higher than the amount supplied by the irrigation water. The difference stems from the nutrient content of the soil thus explaining the limited growth of agricultural plants on other plots. The specific water uptake by the plant roots was measured in different ways. No significant change of stable soil properties during 20 irrigation cycles could be proved.

Observations during irrigation cycles of alfalfa (Medicago sativa) plots showed the importance of rooting depth. Evapotranspiration dropped sharply from 13 mm/d to 6 mm/d when total soil potential fell under -0.1 MPa.

From these observations an empirical evaporation-time-function was devolved, making it possible to assess the potential ground water recharge on these soils during pluvial epochs. Only when the annual precipitation had exceeded 240 mm, could recharge on Eutric Regosol soil have been possible.

Comparing the soluble salts in the profile with the salt content in rainwater is not reasonable without calculating the deposition of salt-laden dust from the atmosphere.

Agricultural development of these sandy soils will face problems of high evaporative demand (average 16 mm/d in summer) and low water capacity. Accumulation of salts in the soils is not expected. All means of production (except water and sun) will require a long distance transport through the uninhabited desert.